CVCF逆变器综合课程设计报告书

1、 . . . 前言电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深我们学生对课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，我们学生的想法可以通过仿真来验证，对培养我们学生的创新能力很有意义，并且可以调动我们学生的积极性。实验实训是课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在

2、课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。计算机仿真技术具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。本次综合课程设计，利用计算机和MATLAB软件进行CVCF逆变器设计与仿真。第一章 电力电子与MATLAB软件简介一、电力电子概况电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电

3、力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术

4、的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件与必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向 利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业

5、电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置与其

6、系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路与外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置与其系统量应用。 二、MATLAB软件介绍MATLAB 是一个功能强大的常用数学软件,

7、它不但可以解决数学中的数值计算问题, 还可以解决符号演算问题, 并且能够方便地绘出各种函数图形。由于MATLAB带有一些强大的具有特殊功能的工具箱，而且随着近年来它的版本不断升级，所含的工具箱功能越来越丰富，工具越来越多，应用围也越来越广，涵盖了当今几乎所有的工业、电子、医疗、建筑等各领域，MATLAB自1984年由美国的MathWorks公司推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已成为国际最优秀的科技应用软件之一。MATLAB中的仿真集成环境Simulink工具箱，是进行系统分析与射击队有力工具。Simulink是一个图形化的建模工具，具有两个显著功能：SIMU（仿真）和LINK（连接）。

8、用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统；既可以进行连续系统，也可以进行离散系统仿真。Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。在 Simulink平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink平台上仿真模型的可读性很强，这就避免了在 MATLAB窗口使用 MATLAB命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量 M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。现在的MATLAB都同时捆绑了Simulink，Simulink的版本也在不断地升级，从19

9、93年的MATLAB 4.0Simulink1.0版到2001年的MATLAB 6.1Simulink 4.1版2002年即推出了MATLAB6.5Simulink5.0版。MATLAB已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。Simulink原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就

10、可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人Simulink中，形成了模块库。Simulink的模块库实际上就是用 MATLAB基本语句编写的子程序集。现在Simulink模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了Simulink最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的容，之后开发的信号处理工具箱(DSPBlocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器(Simulink LibraryBrowser)的目录，就可以看到这些模块。Simulink创

11、建模型、仿真的过程方法介绍如下：1、Simulink建模一个典型的Simulink模型由信号源模块、被模拟的系统模块和输出显示模块三个类型模块构成。其基本特点有：1)Simulink提供许多的Scope（示波器）接收器模块，使得Simulink进行仿真具有图形化显示效果；2)Simulink模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统；3)Simulink提供对子系统进行封装功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。2、Simulink仿真基本过程1)打开一个空白的Simulink模块窗口；2)进入Simulink模块库浏览界面，将相应模块库中所需的模块拖拉到编辑窗口里；3)修改编

12、辑窗口中模块参数；4)将各模块按给定框图连接，搭建所需系统模型；仿真观察结果，修正参数；5)保存模型。第二章 设计方案与器件选型一、 总体框架图驱动电路SPWM控制电路滤波电路输出220V交流电调频电路直流输入180320V直流电逆变电路 升压电路二、 全桥正弦逆变器图2.1示出单相全桥逆变器的原理电路与波形。其中H桥和滤波电路完成直流到交流的变换,滤去谐波，获得交流电；控制电路完成对H桥中开关管的控制，并使输出交流电的电压、频率和波形定。如图2.3所示，Vd是直流电压源，S1S4是4个IGBT开关管，L和C是滤波电感和滤波电容，用于滤除逆变系统中的高次谐波。RL和RC是滤波电感和滤波电容的等

13、效串联阻抗。z是负载，负载可以是纯阻性也可以是非线性等。图2.1 全桥逆变主电路图2.2 对逆变器的控制主要包括对SPWM的控制(即H桥开关管开关方式)和对SPWM脉宽的控制二部分。SPWM的控制方式可分为单极性和双极性二种。在传统的单极性或双极性控制方式中，开关管均工作在高频条件下，这样虽然可以得到较理想的正弦输出电压波形，但也产生了较大的开关损耗，且频率越高，损耗越大。 SPWM的生成原理与波形如图2.2.4所示。由于采用正弦波调制波(Ussintst)与三角波载波(幅值为Uc的正三角波，频率为c)相交来获得SPWM波，因此，基波频率为调制波的频率，基波幅值与调制比M(M=Us/Uc)成正

14、比关系，谐波含量少。正弦逆变器常采用SPWM控制，利用调制波控制输出波形频率，调整M来控制输出电压幅值。工作时，H桥中Sl、S4在前半周期以图2中的SPWM信号闭合，S2、S3断开；在后半周期S1、S4断开，S2、S3以SPWM信号闭合。故在整个周期H桥输出波形如图1(b)所示。这样，对该波形进行滤波，即可获得频率为s。，幅值正比M与调制比M的正弦交流电。三、 无工频变压器的逆变器主电路方案我们知道，无工频变压器的逆变电源实际上包含两部分：一套DC/DC和一套SPWM逆变器。DC/DC的设计这里我们不讨论。所以，这里只讨论SJPWM逆变主电路，其电路形式如图3.3所示。电源350V，各个管子分

15、别为Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.  图2.3四、 器件选型与参数设计1.选择IGBT开关管IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。最高电压为285V，所以开关管的耐压可选为600V。逆变器允许输出峰值电流为                    Im=3Iom=3*5.5A=16.5A  &#

16、160;                   所以开关管的电流定额可以选为600V。我们可以选30A，600V，TO-247封装的IGBT管。2. LC滤波  L为工频电感，电感量可选为12mH。为减小噪声，选闭合铁芯，C为工频电容，可以选CBB61-10µF-250VAC。第三章 SPWM的产生与控制设计一、SPWM脉宽调制原理PWM(Pulse Width Modulation)控制

17、就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。当采用正弦波作为调制信号来控制输出PWM脉冲的宽度，使其按照正弦波的规律变化，这种脉冲宽度调制控制策略就称为正弦脉冲宽度调制(Sine pulsewidth modulation，SPWM)，产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。SPWM波形的产生（

18、如图3.1）图3.1 SPWM波形的产生二、SPWM的具体方法单极性SPWM法(1)调制波和载波：曲线是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调制波的振幅值，每半周期所有三角波的极性均一样(即单极性)。 调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期的脉冲系列也是单极性的。 (2)单极性调制的工作特点：每半个周期，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期，两个器件的工况正好相反，流经负载ZL的便是

19、正、负交替的交变电流。双极性SPWM法(1)调制波和载波： 调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku,中曲线，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。 调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。 (2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流。三、总控制电路主

20、电路在上面已经介绍过了。这里主要介绍逆变控制电路。逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。SPWM的实现包括分立电路、集成芯片和单片机实现。它们的电气性能和成本有所不同，各有自己的优势和不足之处。逆变电源SPWM电路的调制频率固定为50Hz不变，为了降低成本，我们这里用分立电路组成，如图3.2所示。正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图3.2.1、3.2.2。RC桥式正弦波振荡电路原理图所示，图中集成运放A作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反馈网络，R1、Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用。图3.2图3.2.1图中R1=R2,C1=C2。其中和R2为同轴

21、双联电位器的阻值，C2和为波段开关电容的数值。通过改变R 2和C2 的值就可以改变输出正弦波的频率。RC串并联选频网络震荡频率f0=1/2RC三角波产生电路图3.2.2C1=0.1µ,C2=0.1µ,R1=100k,R3=10k,R4=2k,Rf=1M,R=100k.以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由IC1与其外围电路组成的PI型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到IC2去调制三角波，既可得到SPWM波形。IC3和IC4分别为正负值比较器，它们的输出信号分别IC5和IC6，从而将SPWM交替地分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控制主回路完

22、成SPWM逆变。需要注意的是，驱动电路要将每一路信号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输出电压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。第四章 驱动放大电路 一、 驱动电路M57962LM57962L是由日本三菱电气公司为驱动IGBT 而设计的厚膜集成电路(Hybrid Integrated Circuit For Driving IGBT Mod2ules) 。在驱动模块部装有25O0V 高隔离电压的光电耦合器,过流保护电路和过流保护输出端子,具有封闭性短路保护功能。M57962L是一种高速驱动电路,驱动

23、信号延时TPLH 和TPLH 最大为1. 5US。可以驱动600V/ 400V 级的IGBT模块。M57962L工作程序:当电源接通后,首先自检,检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路, IGBT 的集电极电位升高,经外接二极管流入检测电路的电流增加,栅极关断电路动作,切断IGBT的栅极驱动信号,同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT 正常时,输入信号经光电耦合接口电路,再经驱动级功率放大后驱动IGBT。M57962L采用双电源+ Vcc 和VEE ,原理如图1 所示。 电路组成: (1) 放大隔离电路Opto Coupler ; (2) 定时复位电路Timer And R

24、eset ; (3) 过流检测电路Detect ; (4) 过流输出电路Gateshut - Down。图1M579621L芯片原理图正常开通过程当控制电路使M57962L输入端13 和14 脚有10mA 的电流时光耦IC1 导通, A 点电位迅速下降至VEE ,使IC2A的2脚输出为高电平Vcc ,·则三极管V2、V4 导通,V3、V5 截止,使V7 导通,Vcc 加到R17 上,同时由R18/ (R17 + R18) 大于R16/(R15 + R16) ,导致IC2D 的13 脚为低电位,V6 截止,R4/ (R3 +R4) 大于R16 (R15 + R16) 使IC2B 的13

25、 脚截至,故IC214 脚为高电平V1 ,截止,M57962L的8 脚不输出故障信号。在M57962L输入端13 和14 无电流时,IC1 截止,A 点电位上升使IC2A的2 脚变为低电位,则使V3、V5 导通,V2、V4 截止。lGBT的门极( GATE) 通过V5 导通到VEE ,而使IGBT 关断。IC2C的14 脚输出为低电平, 使V1、V7 导通, 使IC2B、C2D 保持原先状态不变。采用三菱公司的专用混合集成驱动器。这种驱动器同一系列的不同型号其引脚和接线基本一样，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以与输入电流幅度值等参数有所不同。混合集成驱动器部具有退饱和和检测和保护环节。当发

26、生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。二、放大电路设计因为所设计的控制电路输出的波形信号是比较微弱的。完全不能直接的驱动IGBT的导通。所以我们必须要设计一个放大器来对PWM信号进行放大在输出的。其实放大器的选择又很多种选法，具体是选择什么样的型号是根据自己所设计的系统的质量和精度的要求来选用的。在这里我采用的是FET差分式放大电路。如下图的所示的为恒流源的JFET差分放大电路。漆黑中JFET T1、T2是差分对管，BJT T3、T4与R1、R2、R3组成恒流源电路，用于抑制共模信号，该电路是单入单出查封放大电路，其差模电压增益为AVD2 = 式中为T1。第五章 M

27、ATLAB建模与仿真一、单极性SPWM触发脉冲波形的产生1、电路结构在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，三角波经过处理，便可成为频率为fc的三角载波。2、单极性SPWM波形二、双极性SPWM触发脉冲波形的产生1、电路结构同上，在Simulink的“Source”库中选择“Clock”模块，以提供仿真时间t,乘以2f后再通过一个“sin”模块即为sinwt，乘以调制比m后可得到所需的正弦波调制信号。三角载波信号由“Source”库中的“Repeating Sequence”模块产生,正确设置参数，便可生成频率为fc的三角载波。2、双极性SPWM波形三、本次